CN105063506A

CN105063506A - 一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢

Info

Publication number: CN105063506A
Application number: CN201510568382.2A
Authority: CN
Inventors: 方旭东; 李阳; 夏焱; 李建民; 王志斌
Original assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2015-11-18

Abstract

本发明涉及不锈钢领域，具体是一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢。一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢，其特征在于：对各物质的含量进行了要求，并且要求满足Cr＋1.5Mo＋1.75Nb＋0.75W－Ni－30C－0.5Mn－0.3Cu≤17%和，Cr＋0.5Ni＋0.7Mo＋0.4Cu－25C－30P－40S≥19%。本发明制备的不锈钢在CO₂、H₂S及Cl^－共存腐蚀环境下及高温高压条件下具有优良的强度及耐腐蚀性能。

Description

一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢

技术领域

本发明涉及不锈钢领域，具体是一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢。

背景技术

随着全球经济的发展，世界各国对各类资源需求量增大，能源紧缺的状况日趋严重。在此情况下，煤炭、石油、天然气、页岩气、煤层气等地下资源的探测、开采工作越来越多，开发的地下资源矿井和油气田涌现出很多高压高温和超高温高压环境的超深井。高压高温和超高压高温井勘探开发的难度骤然增大，使钻井出现的问题越来越多，主要涉及到地下资源开采的设计、工具、工艺、设备、井控、储层改造、安全及材质选择等一系列问题，其中最关键的就是材料的选择问题。

高压高温和超高压高温井通常都含有CO₂、H₂S、Cl^－等离子，含量最高的CO₂含量超过超过10%，H₂S超过6万ppm，Cl^－离子超过10万ppm，因此腐蚀就成为在含CO₂、H₂S和Cl^－的环境中使用的主要问题。目前国内外用于含CO₂、H₂S和Cl^－油井下采用的材料按照环境的恶劣程度依次为Cr13型马氏体不锈钢、双相不锈钢和镍基合金。Cr13型马氏体不锈钢使用温度极限为150℃，即使是更高等级的HP13Cr马氏体不锈钢，使用温度也仅能提高20℃左右，同时在H₂S存在的环境下很容易产生点蚀和H₂S应力腐蚀开裂（SSC），同时在高温高Cl^－环境下容易出产生Cl^－的SSC，难以满足现有苛刻腐蚀环境下的使用要求，多有地下资源开采田井材料断裂，集气干线泄漏事故发生，致使许多田井在投产不到一年而提前废弃，不仅造成巨大经济损失，同时也威胁到国家能源战略安全。为避免在如此苛刻的条件下的腐蚀，必须选用抗CO₂、H₂S和Cl^－腐蚀和应力腐蚀开裂性能优良的双相不锈钢和镍基合金，但其价格非常昂贵，同时需要通过冷加工强化才能达到目标强度，目前主要依赖进口，使建设田井的投入成本过高。鉴于此，急需开发一种能够替代进口、满足深井使用环境下的新型经济耐蚀材料，以满足日益发展的地下资源开采行业的需求。在该背景下，研究开发了一种具有自主知识产权的、用于高浓度CO₂、H₂S及Cl^－共存腐蚀环境下的深井用新型复相沉淀强化型高强耐蚀不锈钢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种价格低廉的能够满足现有苛刻腐蚀环境下的使用的不锈钢材料。

本发明所采用的技术方案是：一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢，其成分中C质量百分比含量0.005~0.05%，Si质量百分比含量0.05～0.50%，Mn质量百分比含量0.2～1.0%，P质量百分比含量＜0.04%，S质量百分比含量＜0.005%，Cr质量百分比含量15.00～19.00%，Ni质量百分比含量为2.50～6.00%，Cu质量百分比含量为1.50～3.50％，Mo质量百分比含量为1.50～4.00%，Nb质量百分比含量为0.01~0.06%，V质量百分比含量为0.02~0.20%，N质量百分比含量为0.01~0.1%，同时按照质量百分比含量要符合以下式子

Cr＋1.5Mo＋1.75Nb＋0.75W－Ni－30C－0.5Mn－0.3Cu≤17%（1）

Cr＋0.5Ni＋0.7Mo＋0.4Cu－25C－30P－40S≥19%（2）

其余为Fe及不可避免的杂质。

作为一种优选方式：其成分中C质量百分比含量0.01~0.02%，Si质量百分比含量0.1～0.3%，Mn质量百分比含量0.2～0.6%，P质量百分比含量＜0.03%，S质量百分比含量＜0.003%，Cr质量百分比含量16.00～18.00%，Ni质量百分比含量为3.50～5.00%，Cu质量百分比含量为2.0～3.0％，Mo质量百分比含量为2.00～3.00%，Nb质量百分比含量为0.02~0.04%，V质量百分比含量为0.05~0.15%，N质量百分比含量为0.02~0.05%。

本发明的有益效果是：本发明制备的不锈钢在CO₂、H₂S及Cl^－共存腐蚀环境下及高温高压条件下具有优良的强度及耐腐蚀性能。

附图说明

图1是不同温度下的回火硬化曲线图；

图2是弥散析出的第二相图；

图3是衍射分析图；

图4是铁素体含量对钢强度的影响图；

图5是高温高压环境下的腐蚀速度的关系图；

图6是抛光侵蚀后利用金相显微镜观察微观组织如图（未热处理）；

图7是抛光侵蚀后利用金相显微镜观察微观组织如图（热处理后）。

具体实施方式

实施例1

预处理后的铁水经过顶底复合吹转炉粗炼与真空氧气脱碳炉脱碳及钢包精炼炉精炼后，钢水的成分质量百分数达到目标要求即出钢，在钢包精炼炉渣粘度为0.1泊时出钢，调温到浇注温度1543℃，然后钢包吊运至模注工序进行浇铸，出钢。

钢水的成分质量百分数目标要求为：C质量百分比含量0.01~0.02%，Si质量百分比含量0.1～0.3%，Mn质量百分比含量0.2～0.6%，P质量百分比含量＜0.03%，S质量百分比含量＜0.003%，Cr质量百分比含量16.00～18.00%，Ni质量百分比含量为3.50～5.00%，Cu质量百分比含量为2.0～3.0％，Mo质量百分比含量为2.00～3.00%，Nb质量百分比含量为0.02~0.04%，V质量百分比含量为0.05~0.15%，N质量百分比含量为0.02~0.05%，同时按照质量百分比含量要符合以下式子

Cr＋1.5Mo＋1.75Nb＋0.75W－Ni－30C－0.5Mn－0.3Cu≤17%（1）

Cr＋0.5Ni＋0.7Mo＋0.4Cu－25C－30P－40S≥19%（2）

其余为Fe及不可避免的杂质。

出钢后检测钢的质量百分比成份组成为：C0.01%，Si0.2%，Mn0.3%，P0.015%，S0.001%，Cr17.20%，Ni4.3%，Cu2.4％，Mo2.6%，Nb，0.03%，V0.08%，N0.02%，其余为Fe及不可避免的杂质，满足上面要求。

在不同的温度和时间下将淬火后的合金进行了回火处理，不同温度下的回火硬化曲线如图1，表明回火后的硬度较回火前有显著的提高。通过组织分析，观察到大量弥散析出的第二相如图2，选取衍射分析如图3，表明，该颗粒主要为ε-Cu颗粒、NbC颗粒、VC颗粒。

图4为铁素体含量对发明钢强度的影响，可以看出，为了保证合金的强度和热加工性能，铁素体含量应控制在30%以下。当成分满足式（1）时，可以保证热处理后的组织为马氏体+铁素体复相组织，同时铁素体含量不超过30%。

为了保证本发明钢在CO₂、Cl^－、H₂S的高温环境下的腐蚀性能，必须满足式（2），式（2）左边的值与210℃含CO₂、Cl^－、H₂S的高温高压环境下的腐蚀速度的关系见图5。可以看出，当成分满足式（2）时，发明钢的腐蚀性能优良。

抛光侵蚀后利用金相显微镜观察微观组织如图6，将热加工后的不锈钢进行淬火+回火处理：980℃加热保温30min后水冷，再在550℃加热保温4h空冷。在热处理后的不锈钢上取样，抛光侵蚀后利用金相显微镜观察微观组织如图7。

本实施例的主要性能与现有不锈钢的对比见表1。

表1

对比钢种	Rp0.2，Mpa	Rm，Mpa	硬度，HRC	腐蚀速度，mm/年
					SUPER13Cr	≥758	≥827	≤32	≤0.18
申请人技术要求	≥820	≥900	≤37	≤0.13
					本实施例	855	996	35	0.085

通过表1可以看到，与传统油田用马氏体不锈钢SUPER13Cr相比，试验钢抗拉强度和屈服强度都高于对比钢，在含有CO₂和Cl^－环境中的腐蚀速率远小于对比钢，其耐腐蚀性能非常优秀，适合用于高浓度CO₂、H₂S及Cl^—共存腐蚀环境下的深井。

本发明在普通的Cr13型系列钢的基础上，降低C含量、适当提高Cr、Ni含量，将基体组织调整为马氏体+铁素体的复相组织；为了保证强度，参考沉淀硬化超高强马氏体不锈钢的强化机理，通过添加Cu元素在回火过程中在马氏体板条上弥散析出富Cu相起到沉淀强化的作用；添加Mo以提高合金在CO₂、Cl^－、H₂S环境中下的耐点蚀性能及耐应力腐蚀性能；添加Nb、V抑制Cr的碳化物在晶界析出，起到沉淀强化作用，同时形成高密度的位错结，对位错起到钉扎作用。

这样，将本发明钢通过特殊的热处理工艺处理之后，可以得到马氏体+铁素体+残余奥氏体复相组织，同时基体上弥散分布ε富Cu相、NbC、VC强化相。此组织保证了本发明钢具有优良的强度、韧性、耐蚀性。

Claims

1.一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢，其特征在于：其成分中C质量百分比含量0.005~0.05%，Si质量百分比含量0.05～0.50%，Mn质量百分比含量0.2～1.0%，P质量百分比含量＜0.04%，S质量百分比含量＜0.005%，Cr质量百分比含量15.00～19.00%，Ni质量百分比含量为2.50～6.00%，Cu质量百分比含量为1.50～3.50％，Mo质量百分比含量为1.50～4.00%，Nb质量百分比含量为0.01~0.06%，V质量百分比含量为0.02~0.20%，N质量百分比含量为0.01~0.1%，同时按照质量百分比含量要符合以下式子

Cr＋1.5Mo＋1.75Nb＋0.75W－Ni－30C－0.5Mn－0.3Cu≤17%（1）

Cr＋0.5Ni＋0.7Mo＋0.4Cu－25C－30P－40S≥19%（2）

其余为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种复相沉淀强化型耐腐蚀不锈钢，其特征在于：其成分中C质量百分比含量0.01~0.02%，Si质量百分比含量0.1～0.3%，Mn质量百分比含量0.2～0.6%，P质量百分比含量＜0.03%，S质量百分比含量＜0.003%，Cr质量百分比含量16.00～18.00%，Ni质量百分比含量为3.50～5.00%，Cu质量百分比含量为2.0～3.0％，Mo质量百分比含量为2.00～3.00%，Nb质量百分比含量为0.02~0.04%，V质量百分比含量为0.05~0.15%，N质量百分比含量为0.02~0.05%。